Transparencias del tema Solidos I

Física Cuántica
Sólidos I. Introducción.
José Manuel López y Luis Enrique González
Universidad de Valladolid
Curso 2004-2005 – p. 1/10
Introducción.
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En un sólido podemos encontrar 1023 átomos por
cm3 . Imposible resolver el hamiltoniano.
Un sólido es un conjunto de electrones e iones,
los electrones se mueven en el potencial creado
por los iones. (distancia entre iones ≡ 3 Å)
¿ Por qué estudiamos cuanticamente un sólido? :
Algunos fenómenos que ocurren en sólidos son
inexplicables desde el punto de vista clásico. Por
ejemplo el magnetismo.
Las técnicas de la física cuántica han permitido
entender las propiedades de los sólidos y han sido
la base del actual desarrollo de la tecnologia
electrónica.
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¿Qué es un sólido?
-cristal
-policristal
-amorfo
-cuasicristal.
Desde el punto de vista cuantico la determinación de la estructura
de un sólido no difiere fundamentalmente de una mólecula.
Born-Oppenheimer: energía electronica para posiciones ionicas
fijas + movimiento ionico en el potencial correspondiente.
El orden tridimensional del sólido cristalino nos permite resolver
el problema electrónico:
IMPORTANCIA DE LAS PROPIEDADES DE SIMETRÍA.
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Tipos de sólidos según el enlace:
Sólidos covalentes: Atomos ligados entre sí por
enlaces direccionales localizados similares a los
encontrados en el estudio de la molécula H2 . La
distribución espacial de los átomos está determinda
por la naturaleza y direccionalidad de los enlaces.
Vease red diamante.
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Son duros y dificiles de deformar.
Malos conductores del calor y la electricidad.
Puntos de fusión altos.
Las energías de excitación electrónicas son de
unos pocos eV.
Son transparentes.
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Sólidos iónicos: Distribución regular de iones
positivos y negativos unidos por fuerzas de Coulomb.
Enlace no direccional ⇒ los iones tratan de apilarse
de forma compacta. Vease red NaCl.
• Son malos conductores del calor y la electricidad
• Son duros y frágiles
• Tienen alto punto de fusión
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Puentes de hidrógeno: Están formados por moléculas
fuertemente polares con 1 o más atomos de H, el enlace es
coulombiano entre hidrogenos parcialmente cargados
positivamente y otros átomos parcialmente cargados
negativamente: puentes de hidrogeno. Vease figura agua.
Ejemplos: H2 O, HF , etc. Muy importantes en biología.
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van der Waals: Están constituidos por sustancias
moleculares no polares que se unen entre sí por
fuerzas tipo van der Waals débiles. (Interacción
dipolo instantaneo-dipolo inducido).
• No conducen el calor ni la electricidad
• Tienen un punto de fusión muy bajo y son muy
compresibles y deformables.
Ejemplos: CH4 , Cl2 , I2 , CO2 , C6 H6 , gases nobles,
etc.
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Metales: Este tipo de sólidos han sido los más
importantes desde el punto de vista de la evolución
cultural y tecnológica de la humanidad.
Compuestos por átomos, u otros constituyentes, que
tienen energías de ionizacion pequeñas y que en el
proceso de formación del cristal son facilmente
desprendidos y pasan a formar parte de una "nube"
electrónica que se mueve libremente por todo el
volumen del cristal.
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Conducen muy bien el calor y la electricidad
Son opacos
Son malebles y dúctiles
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Esta clasificación no debe ser tomada de forma muy estricta.
Por ejemplo el grafito está formado por capas planas de C en una
configuración de tipo hexagonal.
En cada capa existen simultáneamente enlace de tipo covalente
localizado (enlaces σ entre orbitales atómicos híbridos sp2 ) y de
tipo metálico (caso límite del “macroenlace" de tipo π en
moléculas conjugadas). Cada capa es por tanto una especie de
macromolécula neutra y la interacción entre capas es entonces de
tipo van der Waals. (Vease red grafito)
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